任建鋒, 顏云松, 羅劍波, 司慶華, 陶 翔, 郭 勛, 萬(wàn)芳茹

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

特高壓直流密集接入，輸送容量占受端系統(tǒng)規(guī)模的比重不斷增大，對(duì)常規(guī)機(jī)組替換效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)，系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)能力持續(xù)降低。多直流饋入電網(wǎng)發(fā)生多直流連續(xù)換相失敗和故障導(dǎo)致直流閉鎖時(shí)將造成受端電網(wǎng)有功大幅缺額，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率急劇下降[1]。為避免頻率下降給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn)，一般在直流落點(diǎn)近區(qū)配備頻率緊急協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，根據(jù)直流損失功率的大小通過(guò)緊急提升相鄰直流輸送功率、切除抽水機(jī)組和受端電網(wǎng)相應(yīng)負(fù)荷來(lái)保持受端電網(wǎng)的功率平衡，抑制頻率下降[2-3]。但如果網(wǎng)內(nèi)其他直流緊急提升量不足，抽蓄電站正處于發(fā)電狀態(tài)，就只能大量切除負(fù)荷線路，易達(dá)到電力安全事故等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。如若切除負(fù)荷線路安排不足，甚至可能造成低頻減載裝置無(wú)序動(dòng)作，對(duì)生產(chǎn)生活影響較大。常規(guī)的控制措施幾乎已經(jīng)用盡，因此需挖掘利用新的控制資源與手段，將分散性海量電力用戶(hù)可中斷負(fù)荷單元集中起來(lái)進(jìn)行毫秒級(jí)精準(zhǔn)控制，實(shí)施靈活調(diào)節(jié)，從電源調(diào)控轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)荷調(diào)控與電源調(diào)控兼顧，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電源、負(fù)荷友好互動(dòng)，達(dá)到電力供需瞬時(shí)平衡，支撐能源大范圍優(yōu)化配置，可避免大面積停電的發(fā)生，將區(qū)外來(lái)電大幅波動(dòng)對(duì)企業(yè)和居民用電的影響降至最低。

可中斷負(fù)荷是在緊急情況下能給電網(wǎng)提供的可控資源，在滿(mǎn)足“可中斷”的基礎(chǔ)上應(yīng)具備一定的負(fù)荷量、負(fù)荷曲線較平穩(wěn)、控制接入方便等特征。有較大日常負(fù)荷量的普通工業(yè)用戶(hù)、大型商業(yè)用戶(hù)、電動(dòng)汽車(chē)集中充電站、翻水站的抽水泵、大型儲(chǔ)能電站(充電時(shí))、燃煤電廠可中斷輔機(jī)負(fù)荷都可作為精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的主要可控資源。這些可中斷的大用戶(hù)負(fù)荷，每個(gè)負(fù)荷量不大，用戶(hù)數(shù)多，分布分散且地理范圍廣。如何把這些用戶(hù)的可中斷負(fù)荷接入穩(wěn)定控制系統(tǒng)，同時(shí)滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的需求，是當(dāng)前毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)亟需解決的問(wèn)題。

2016年，江蘇電網(wǎng)結(jié)合源網(wǎng)荷友好互動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施率先完成了毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的試點(diǎn)工作，將切負(fù)荷控制方式從傳統(tǒng)的集中切變電站負(fù)荷線路方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭焖倬珳?zhǔn)控制用戶(hù)可中斷分支負(fù)荷線路，取得了良好的應(yīng)用效果，在國(guó)內(nèi)外起到了示范作用[4]。文中以江蘇電網(wǎng)毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及工程化應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)把控制對(duì)象由傳統(tǒng)穩(wěn)控系統(tǒng)的變電站負(fù)荷線路變?yōu)橐陨a(chǎn)企業(yè)為最小節(jié)點(diǎn)，精準(zhǔn)控制企業(yè)內(nèi)部可中斷的380 V分支回路，這就意味著接入的控制對(duì)象將會(huì)非常龐大；其用于解決電網(wǎng)的穩(wěn)定問(wèn)題(例如頻率穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題等)則要求整套控制系統(tǒng)的控制時(shí)間必需在數(shù)百毫秒以?xún)?nèi)。

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)選擇

用戶(hù)負(fù)荷控制終端(以下簡(jiǎn)稱(chēng)負(fù)控終端)通信接入技術(shù)[5-6]大體上分為有線和無(wú)線接入方式，有線接入主要有基于同步數(shù)字體系 (synchronous digital hierarchy，SDH)的2M專(zhuān)線接入、專(zhuān)用光纖接入[7-8]和電力線載波方式；無(wú)線接入主要有GPRS和4G專(zhuān)網(wǎng)方式。其中2M專(zhuān)線基于SDH光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，可以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)傳輸繼電保護(hù)信號(hào)傳輸損傷和時(shí)間延遲的要求，是繼電保護(hù)信號(hào)可靠的傳輸通道[9]。專(zhuān)用光纖接入采用端對(duì)端單模光纖傳輸，具有通信容量大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)[10]?；贕PRS的無(wú)線通信方式由于其固有的GSM技術(shù)局限，目前在用的通信速率為9600 b/s，實(shí)時(shí)響應(yīng)能力不能達(dá)到毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制的快速性要求。4G專(zhuān)網(wǎng)方式[11]提供基于IP的數(shù)據(jù)通信服務(wù)，終端帶寬理論上可達(dá)到10 Mb/s級(jí)，但在用于高可靠性的電力系統(tǒng)控制通信時(shí)一般采用傳輸控制協(xié)議 (transmission control protocol，TCP)協(xié)議，限制了同一個(gè)關(guān)聯(lián)點(diǎn)的終端接入個(gè)數(shù)。同時(shí)，由于無(wú)線通信受物理遮擋、空間電磁場(chǎng)、天氣等因素的影響較大，在終端大規(guī)模掛網(wǎng)時(shí)，實(shí)時(shí)在線率暫無(wú)數(shù)據(jù)支撐，可靠性無(wú)法得到保證，目前還不具備大規(guī)模應(yīng)用的條件，個(gè)別光纖通道很難覆蓋的用戶(hù)可以考慮使用4G專(zhuān)網(wǎng)方式試點(diǎn)接入。綜上，采用2M專(zhuān)線和專(zhuān)用光纖通信技術(shù)是實(shí)時(shí)性最強(qiáng)、可靠性最高的首選方案。

1.2 總體架構(gòu)

毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。該架構(gòu)總體上分成3層，即控制主站層、控制子站層、終端用戶(hù)接入層。圖中的協(xié)控總站作為毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)的上級(jí)控制中樞，不計(jì)入架構(gòu)層數(shù)統(tǒng)計(jì)。在省調(diào)設(shè)置調(diào)度主站和營(yíng)銷(xiāo)主站。三層架構(gòu)中，控制主站接收上級(jí)穩(wěn)控系統(tǒng)切負(fù)荷控制指令，進(jìn)行負(fù)荷分配，下達(dá)控制任務(wù)；控制子站匯集本地區(qū)可切負(fù)荷量，上傳至控制主站，并執(zhí)行控制主站的切負(fù)荷控制指令；負(fù)控終端采集用戶(hù)可切負(fù)荷量并實(shí)時(shí)上送，同時(shí)接收控制子站的指令，快速切除部分可中斷負(fù)荷。

圖1 毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Schema diagram of the millisecond-level precision load control system

控制主站一般設(shè)在直流落點(diǎn)換流站近區(qū)通道條件好的500 kV交流匯集站，裝置采用雙套配置?？刂谱诱疽话阍O(shè)在負(fù)荷集中區(qū)域的500 kV或220 kV交流站，裝置采用雙套配置。用于一般企業(yè)用戶(hù)的負(fù)控終端按單套配置，每個(gè)終端和子站雙套都有交互。控制子站裝置至接入變電站光電轉(zhuǎn)換設(shè)備之間是2M通道，光電轉(zhuǎn)換設(shè)備至負(fù)控終端之間是專(zhuān)用光纖通道，8個(gè)專(zhuān)用光纖通道共享一個(gè)2M通道。對(duì)于布光纖通道有困難，同時(shí)又有無(wú)線4G專(zhuān)網(wǎng)覆蓋的大用戶(hù)，可以采用無(wú)線4G接入方案。所有2M通道在SDH設(shè)備上匯聚成155M通道接入子站控制裝置。

調(diào)度主站總體上分為數(shù)據(jù)采集、集中監(jiān)視、運(yùn)行管理、在線預(yù)警和決策支持5個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)裝置各類(lèi)信息的實(shí)時(shí)采集；集中監(jiān)視實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置實(shí)時(shí)采集的電氣量、開(kāi)關(guān)量、壓板投退狀態(tài)、異常信號(hào)及動(dòng)作報(bào)告等實(shí)時(shí)信息和人工設(shè)定的定值及策略表等控制信息的集中監(jiān)視；運(yùn)行管理實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的控制策略等信息的在線查詢(xún)及維護(hù)管理、定值核對(duì)和歷史數(shù)據(jù)管理；在線預(yù)警實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的當(dāng)值策略識(shí)別以及可實(shí)施性評(píng)估(判斷控制措施是否可以足量執(zhí)行)；決策支持實(shí)現(xiàn)在當(dāng)值策略控制量不足時(shí)，給出基于可控措施空間的決策支持建議。

營(yíng)銷(xiāo)主站可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)負(fù)控終端中的分支線路進(jìn)行定值管理、維護(hù)和修改，遠(yuǎn)方監(jiān)控跳閘出口壓板投退狀況、運(yùn)行控制軟壓板的投退、跳閘出口矩陣的調(diào)整等功能，實(shí)時(shí)掌控負(fù)控終端的運(yùn)行狀態(tài)，有利于對(duì)負(fù)控終端的故障診斷定位和精準(zhǔn)維護(hù)，降低到用戶(hù)上門(mén)維護(hù)次數(shù)，減少對(duì)用戶(hù)的干擾。

2 控制策略

通過(guò)大量的分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)特高壓直流故障后，優(yōu)先切除直流落點(diǎn)近區(qū)的負(fù)荷控制效果最優(yōu)，因此分層分級(jí)制定毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制策略，根據(jù)直流落點(diǎn)位置以及負(fù)荷切除層級(jí)確定切負(fù)荷站點(diǎn)次序，在同一層級(jí)內(nèi)優(yōu)先切除直流落點(diǎn)近區(qū)的負(fù)荷。

可中斷負(fù)荷依照高耗能優(yōu)先的原則分為X個(gè)層級(jí)，層級(jí)數(shù)量可參照本地區(qū)低頻減載輪次數(shù)量。為了確?？煽啃?，收到上級(jí)切負(fù)荷指令時(shí)，需進(jìn)行連續(xù)三幀確認(rèn)及本地低頻確認(rèn)，并采取“二取二”的原則才能最終切負(fù)荷。不同負(fù)荷層級(jí)按照優(yōu)先級(jí)先后順序切除，同一層級(jí)按照故障直流落點(diǎn)遠(yuǎn)近順序切除。

以江蘇電網(wǎng)3個(gè)控制子站(木瀆、鳳城、上河地區(qū))，每個(gè)子站各分為6個(gè)層級(jí)的分層分區(qū)切負(fù)荷策略為例，制定如下措施：

(1) 錦蘇直流故障，錦蘇閉鎖損失功率≥P(某定值)，先切木瀆站負(fù)荷(6個(gè)層級(jí)全切光)，再均衡切，順序?yàn)樯虾?、鳳城；錦蘇閉鎖損失功率

(2) 錫泰直流故障，三站均衡切，層級(jí)細(xì)到每個(gè)分區(qū)，順序?yàn)轼P城、上河、木瀆。

(3) 雁淮直流故障，三站均衡切，層級(jí)細(xì)到每個(gè)分區(qū)，順序?yàn)樯虾?、鳳城、木瀆。

(4) 省外直流故障，三站均衡切，層級(jí)細(xì)到每個(gè)分區(qū)，順序?yàn)樯虾?、鳳城、木瀆。

(5) 組合直流故障，若包含錦蘇直流故障，則按照錦蘇直流故障切負(fù)荷順序執(zhí)行。組合直流故障，若未包含錦蘇直流故障，按照上河、鳳城、木瀆順序，均衡切。

(6) 從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，切除負(fù)荷采取欠切原則，最多只會(huì)欠切某個(gè)層級(jí)上的一個(gè)用戶(hù)。

以上分層分級(jí)策略的實(shí)施，不僅能依據(jù)故障損失量精準(zhǔn)切除滿(mǎn)足控制要求的負(fù)荷，還可避免負(fù)控措施引起潮流竄動(dòng)，保證了毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 STM-1接口技術(shù)

由于每套控制子站裝置需要接入數(shù)百個(gè)負(fù)控終端，傳統(tǒng)的穩(wěn)控系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足這種要求。因此開(kāi)發(fā)了STM-1接口技術(shù)，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)硬件編碼技術(shù)，將63路高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制 (high-level data link control，HDLC)模塊整合進(jìn)一個(gè)符合ITU-TG.703標(biāo)準(zhǔn)的STM-1接口模塊。對(duì)SDH主干網(wǎng)，基于HDLC協(xié)議實(shí)現(xiàn)155M光纖通信，每個(gè)STM-1接口模塊內(nèi)含63路2M數(shù)據(jù)。FPGA和ARM芯片分工協(xié)作，并行高效處理數(shù)據(jù)收發(fā)和HDLC與COM_STC之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。STM-1接口FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯如圖2所示。

圖2 STM-1接口FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯Fig.2 Logic diagram of STM-1 interface realized by FPGA

3.2 多用戶(hù)共享2M通道接入技術(shù)

毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)需要確保實(shí)時(shí)性，因此負(fù)控終端與控制子站通信是基于2M專(zhuān)網(wǎng)的。考慮到負(fù)控終端上送功率等信息與接收控制子站命令的實(shí)時(shí)性要求有所區(qū)別，開(kāi)發(fā)了多用戶(hù)共享2M通道接入技術(shù)。即在大用戶(hù)接入裝置上將8個(gè)負(fù)控終端的光纖數(shù)據(jù)以時(shí)分復(fù)用的方式經(jīng)兩路2M通道輪詢(xún)上送至對(duì)應(yīng)負(fù)荷控制子站雙套裝置。同時(shí)接收雙套控制子站裝置的切負(fù)荷命令，并通過(guò)光纖通道同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至8個(gè)負(fù)控終端。將傳統(tǒng)穩(wěn)控架構(gòu)每個(gè)2M通道接1個(gè)終端擴(kuò)展為可接入8個(gè)終端，但所有終端都能同時(shí)快速響應(yīng)命令。

圖3 多用戶(hù)共享2M通道接入示意圖Fig.3 Schema diagram of multi-user shared 2M channel

3.3 模擬大規(guī)?？芍袛嘭?fù)荷批量切除及有序恢復(fù)的試驗(yàn)技術(shù)

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)，由于負(fù)控終端出口軟壓板退出后，控制子站會(huì)將負(fù)控終端的可切負(fù)荷總量清零處理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)切負(fù)荷的目的。調(diào)試過(guò)程中需確保負(fù)控終端不會(huì)真正跳閘出口，保證聯(lián)調(diào)的安全性，因此研發(fā)了模擬大規(guī)?？芍袛嘭?fù)荷批量切除及有序恢復(fù)的試驗(yàn)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。具體步驟介紹如下：(1) 主站、子站均通過(guò)投入傳動(dòng)試驗(yàn)壓板、退出總功能壓板，進(jìn)入傳動(dòng)模式；(2) 在主站設(shè)置傳動(dòng)菜單，可選擇需要模擬的選項(xiàng)，點(diǎn)擊確認(rèn)后即可向子站發(fā)送帶有測(cè)試位的切負(fù)荷命令；(3) 子站在接收到主站發(fā)送的帶有測(cè)試位的命令后，經(jīng)本地頻率確認(rèn)，向負(fù)控終端發(fā)送帶有測(cè)試位的命令；(4) 負(fù)控終端收到遙控選擇后，檢測(cè)出口回路，然后返回出口回路檢測(cè)結(jié)果。(5) 負(fù)控終端反饋信息至切負(fù)荷子站，子站顯示負(fù)控終端動(dòng)作結(jié)果。

圖4 大規(guī)?？芍袛嘭?fù)荷批量切除及有序恢復(fù)模擬試驗(yàn)流程Fig.4 Flow chart of simulation test large-scale interruptible load batch shedding and orderly recovery

在控制主站模擬測(cè)試命令，控制子站接收到命令后向負(fù)控終端發(fā)送測(cè)試命令，負(fù)控終端收到命令后給出相應(yīng)的報(bào)文提示，但負(fù)控終端并不實(shí)際跳閘出口。該方法可達(dá)到驗(yàn)證系統(tǒng)整組動(dòng)作完整通路、保證負(fù)控終端能夠接收實(shí)際指令的效果，解決了多負(fù)控終端調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題。本功能僅用于聯(lián)調(diào)試驗(yàn)或預(yù)跳試驗(yàn)，在試驗(yàn)時(shí)可以模擬驗(yàn)證系統(tǒng)控制策略和通信狀態(tài)的正確性和可靠性，而不會(huì)使得負(fù)控終端真正跳閘出口，確保試驗(yàn)過(guò)程的安全性。

4 工程驗(yàn)證

2016年，江蘇省電力有限公司啟動(dòng)了江蘇大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動(dòng)系統(tǒng)電網(wǎng)毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制建設(shè)工程，一期工程已于2016年6月投入試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)蘇南地區(qū)1000 MW毫秒級(jí)可中斷負(fù)荷的毫秒級(jí)精準(zhǔn)控制，并與華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)緊密對(duì)接，成為構(gòu)建大電網(wǎng)安全綜合防御體系的重要支柱，為頻率緊急控制提供了除按頻率分輪次低周減載外，可快速、精確控制的新資源。江蘇毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)依據(jù)上文所述的通信架構(gòu)建設(shè)，除電網(wǎng)側(cè)接入變電站和用戶(hù)負(fù)控終端之間采用專(zhuān)用光纖通信之外，其他各層級(jí)均采用基于E1接口的2M專(zhuān)用通道實(shí)現(xiàn)。江蘇省電力有限公司于2017年5月24日進(jìn)行錦蘇特高壓直流閉鎖系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)，人工觸發(fā)特高壓錦蘇直流雙極閉鎖，直流功率損失 3000 MW，華東電網(wǎng)頻率由50.02 Hz跌落至49.97 Hz，采取緊急提升其他直流切除抽蓄電站水泵并切除蘇州地區(qū)可中斷負(fù)荷255 MW后，系統(tǒng)頻率恢復(fù)至50.03 Hz。試驗(yàn)中精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)依據(jù)預(yù)定策略正確動(dòng)作，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。江蘇電網(wǎng)毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制系統(tǒng)一期工程實(shí)測(cè)整組控制時(shí)間情況(見(jiàn)圖5)： 4G專(zhuān)網(wǎng)用戶(hù)為245 ms，光纖用戶(hù)1為196 ms，光纖用戶(hù)2為211 ms。該系統(tǒng)整組控制時(shí)間涵蓋從故障發(fā)生到負(fù)控終端出口的所有延時(shí)。

圖5 整組控制時(shí)間Fig.5 Diagram of operation time

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)介紹了一種可以應(yīng)用于毫秒級(jí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制的完整解決方案，包含主站、通信、策略、控制裝置等方面，該技術(shù)方案已應(yīng)用于江蘇電網(wǎng)精準(zhǔn)切負(fù)荷一期、二期工程中?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)切試驗(yàn)表明，各項(xiàng)設(shè)計(jì)均符合預(yù)期。一套控制子站裝置能同時(shí)承載300路以上的2M通信控制接口，同時(shí)300 ms內(nèi)緊急切除300個(gè)以上可中斷用戶(hù)負(fù)荷。

文中提出的通信組網(wǎng)方案是基于當(dāng)前的電力系統(tǒng)SDH骨干傳輸專(zhuān)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，在接入層主要采用專(zhuān)用光纖直接/間接接入方式，優(yōu)點(diǎn)是通信延時(shí)確定、可靠性高，缺點(diǎn)是需要進(jìn)行光纖鋪設(shè)。接入層大規(guī)模采用無(wú)線接入方式(如4G無(wú)線專(zhuān)網(wǎng))是今后的一個(gè)研究方向，但是就目前來(lái)說(shuō)，無(wú)線接入方式用于強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性及可靠性研究仍處于摸索階段，需要進(jìn)行更加深入的理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和工程試點(diǎn)驗(yàn)證。

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